Напредък в измерването на ексцентричността на кабели, базирано на електромагнитна индукция: преодоляване на трептенето и подобряване на точността
Основен предизвикателств при онлайн измерването на ексцентричността на кабели е високата скорост на движение на кабела. Това изисква измервателна апаратура без контакт, способна да обработва трептенето на кабела. Рентгеновите ексцентрометри, базирани на оптично трансмисионно изображение, измерват контурните размери на многолагерни системи, за да изчислят геометричния център на проводниците спрямо ексцентричността на изолацията. Въпреки това те имат недостатъци: бавна скорост на измерване (само няколко пъти в секунда), увеличена грешка от трептенето на кабела и високи разходи.
1 Принцип на ексцентрометрите на основа електромагнитна индукция
Ексцентрометрите, базирани на електромагнитна индукция, комбинират оптично измерване на диаметъра и електромагнитна индукция за детектиране на проводниците. Те измерват електрическия център на проводника (по-добър от геометричната ексцентричност) с висока скорост от хиляди измервания в секунда. По-бързото измерване намалява влиянието на трептенето, замествайки рентгеновите устройства в сценарии без нужда от многолагерни размери.
Сегашните импортирани продукти (според публични принципи) използват четири индуктивни катушки за детектиране на магнитни полета (както на Фигура 1). Някои определят центрирането на проводника чрез равни сигнали (коригирайки прозореца с мотори, ако не са равни); други изчисляват центъра на проводника от детектираната сила на сигнала.
2 Контрол на точността на измерването
Корекцията с мотор включва процес, който неизбежно причинява забавяне. Това води до десинхронизация между измерванията на изолацията и проводника, което създава грешки от закъснение – по-голямото трептене на кабела довежда до по-големи грешки. На практика този недостатък се проявява: ако се появи трептене на кабела, резултатите от измерването на ексцентричността стават нестабилни, с колебания над 1%. Това отразява грешката на апаратурата, а не действителното състояние на кабела.
Въпреки това, оценяването на центрирането на проводника чрез равни сигнали не е винаги валидно. Законът на Био-Савар твърди: магнитната индукционна интензивност (B) възбудена от елемент на тока Idl във всяка точка в пространството на разстояние r е:
Тази формула показва, че магнитната индукционна интензивност е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието и пропорционална на синуса на ъгъла θ, както е показано на Фигура 2.
На основата на това, се извършва симулационно изчисление на връзката между магнитните полета в четири точки в пространството. За удобство, се създава модел, както е показано на Фигура 3.
Точките 1, 2, 3 и 4 са ортогонално и симетрично разпределени, с O като централна точка. Да допуснем, че елементът на тока се движи вдълбочено по средната линия OP на осите 2 и 3. Според Формула (1), когато елементът на тока е във всяка точка на OP, B1 = B4 и B2 = B3 са в сила. Следователно, единствено изменението на B1/B2 с ∠θ трябва да бъде изследвано. След изчисленията, се получава набор от данни и се генерира графика на разсеяна тенденция, както е показано в Таблица 1 и Фигура 4.
Както е видно на Фигура 4, тенденцията е нередовна крива. Като ∠θ се увеличава, B1/B2 се понижава от 1 до ~0.268 (минимум), след което отново се повишава до 1. Докато магнитните полета в четири точки се уравновесяват, елементът на тока е далеч от централната точка O. В интервала, всяка стойност (освен минимума) има две точки – по-близо до минимума, точките са по-близки.
Това важи за един квадрант, и същото важи за другите. Освен това, опиращи се на магнитните полета в четири точки, не може да се прецени центрирането на проводника или да се определи неговият център (магнитното поле е вектор, а не скалар).
Следователно, за да се разработи по-добър ексцентрометър, не следва слепо да се следват чуждестранните фирми. Нов принцип: измерете ъглите на посоката на магнитното поле θ₁, θ₂ в P₁/P₂, за да определите централната точка O (Фигура 5).
Този принцип се сумира геометрично като: триъгълник е уникален, определен от една страна и два съседни включени ъгъла. Докато това е в сила, практическата реализация изисква високоскоростно, високоточно измерване на слаби магнитни полета.
Проводниците на кабела индуцират ~10mA ток във външни алтернативни полета. Сензорите, разположени на разстояние от кабелите, детектират слаби (~десетки nT) полета – изискващи висока чувствителност, честотна характеристика и ниски шумове (вграденият шум влияе върху точността).
3 Реализация на ексцентрометрите на основа електромагнитна индукция
Повечето импортирани продукти използват сензори с катушка; тази работа избира магниторезистивни сензори. Малки сензори интегрират електромагнитни/оптични измервания на една и съща сечение (минимизирайки грешките), с висока консистентност между сензорите. Литографски магниторезистивни сензори са идеални. В сравнение, импортирани продукти с катушкови сензори отделят измерванията, третирайки непроводещи сегменти на проводниците като идентични – увеличавайки грешките.
Измервания, базирани на магниторезистивност: 1000/с измервания, ±2% повторяемост (100–200nT), ±0.2% за 1000-измервания средно, линейност <0.5%. Сравненията с импортни продукти са ограничени (няма данни).
Комбинирането с бързо LED×CCD оптично измерване позволява реално време измерване на ексцентричността (Фигура 6).
При всяко измерване, се получават синхронно позициите на четири точки (A, B, C, D) на изолационния слой и позицията на централната точка P на проводника. Ексцентричностите в X и Y посоки и общата ексцентричност се изчисляват с помощта на следните формули:
За всяко измерване, ex, ey, и e се усредняват (върху зададен брой проби) като крайния резултат от ексцентричността. За да се покаже центрираността, използвайте Центрираност = 1 - Ексцентричност. Δx/Δy (отклонения в X/Y посока) позволяват реално време корекции на главата на екструдера за автоматично коригиране на ексцентричността на кабела.
По-високите скорости на измерване намаляват грешките от трептене: 1000 измервания в секунда постигат точност до хилядни дялове. Повечето импортирани продукти (сто измервания в секунда) твърдят точност на ексцентричността, приемайки центриран проводник (съответства на точността на външния диаметър, дадена като ±μm абсолютни стойности, а не проценти – несъответствие).
3.1 Измерване на диаметъра с LED×CCD
Основава се на телецентрична оптика, използва блокиране на светлината, за да създаде ярки-тъмни области на CCD. Алгоритми анализират краищата, за да изчислят размерите. Глобалната експозиция на CCD (едновременно засичане на пиксели) причинява размити краища от трептене (вертикално → наклонени линии), но алгоритмите решават краищата и елиминират грешките.
3.2 Бележки за оптичното измерване на диаметъра
Не е фокус, но ключово: измерването на ексцентричността на кабела изисква реално време оптично засичане на четирите вершинни позиции на изолационния слой (не само размери). Методи с лазер, сканиращи с мотор, рискуват с асинхронни грешки. Следователно, синхронизирането на оптичните и електромагнитните измервания е критично за разработката на инструмента.
4 Заключение
Инструментът, базиран на електромагнитна индукция, бързо измерва електрическия център на проводника, с ниска цена и предимства. Отговаряйки на недостатъците на импортирани продукти при електромагнитните измервания, се развива нов фотоелектромагнитен ексцентрометър на кабели (точност до хилядни дялове). Технологията се развива – бъдещите напредъци в материалите ще позволят по-висока точност, подтиквайки напредъка в индустрията.
